Tổng quan hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ wdm

trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử – ViƠn Th«ng Tỉng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin quang sử dụng công nghệ WDM Giáo Viên Hớng Dẫn : Sinh Viên Thực Hiện : Lớp : Hà Nội HƯ thèng th«ng tin quang sư dơng c«ng nghƯ WDM Mơc lơc Trang Ch¬ng I Tỉng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin quang Wdm… 1.1 Giíi thiƯu chung vỊ hƯ thèng th«ng tin quang 1.2 Nguyên lý hệ thống WDM .5 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Mơc ®Ých 1.2.3 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM: 1.2.3.1 Hệ thống ghép bớc sóng đơn híng 6Error! Bookmark not defined 1.2.3.2 HƯ thèng ghÐp bíc sãng song híng 1.2.4 u nhợc điểm công nghệ WDM Error! Bookmark not defined.7 Chơng II Truyền tín hiệu sợi quang 2.1 Các đặc tính cđa th«ng tin quang 2.2 Cáp sợi quang 2.3 Nguyªn lý trun ¸nh s¸ng sỵi quang 10 2.3.1 Định luật ánh sáng sợi quang .10 2.3.2 Trun ¸nh s¸ng sỵi dÉn quang 11 2.4 Các vấn đề truyền dẫn .13 2.4.1 Suy hao sỵi quang .13 2.4.2 Tán sắc sợi quang 14 2.4.3 Bớc sóng, tần số khoảng cách kênh 15 Chơng III chức phần tử hƯ th«ng WDM 17 3.1 Chức hệ thống WDM 17 3.2 C¸c thành phần hệ thống thông tin quang .19 3.2.1 Nguån ph¸t quang 19 3.2.1.1 LASER 20 3.2.1.2 LED .21 3.2.2 Bé thu quang 21 3.2.3 ThiÕt bÞ khuếch đại quang 22 3.2.3.1 EDFA 23 HƯ thèng th«ng tin quang sư dơng c«ng nghƯ WDM 3.2.3.2 SOA .25 3.2.4 C¸c phần tử kết nối chéo sợi 25 3.2.4.1 Một số yêu cầu OXC 27 Chơng IV chuyển mạch quang 28 4.1 Chuyển mạch quang nhu cầu cấp thiết hệ thèng th«ng tin quang 28 4.2 Chun m¹ch kªnh quang chia bíc sãng 29 Chơng I Tổng quan hệ thống thông tin quang WDM 1.1 Giíi thiƯu chung vỊ th«ng tin quang: Thông tin quang hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều có nghĩa thông tin đợc chuyển thành ánh sáng sau ánh sáng đợc truyền qua sợi quang Tại nơi nhận lại đợc biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu Trong thời kì nay, lợng thông tin trao đổi hệ thống thông tin tăng lên nhanh Thế giới chứng kiến phát triển nhảy vọt cha thấy mạng máy tính toàn cầu Internet, kéo theo đời ứng dụng dịch vụ tảng Internet Số ngời sử dụng Internet ngày đông, nhu HƯ thèng th«ng tin quang sư dơng c«ng nghƯ WDM cầu truyền tải liệu theo tăng lên Do yêu cầu đặt phải tạo đợc mạng lới có băng thông lớn, có tốc độ đờng truyền cao, tin cậy có chi phí hợp lý Mạng thông tin quang đời đà đáp ứng đợc nhu cầu Mạng thông tin quang với u điểm bật nh dung lợng truyền dẫn lớn, tốc độ truyền tải nhanh, hoạt động ổn định kinh tế, đà dần thay cho mạng lới thông tin truyền thống Tuy nhiên băng thông quang lín (kho¶ng 100Ghz-Km) sÏ rÊt hao phÝ nÕu chØ dïng cho ứng dụng đơn lẻ Vì yêu cầu đặt phải ghép nhiều kênh đờng truyền quang Những kĩ thuật ghép kênh đợc quan tâm ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) ghép kênh phân chia bớc sóng (WDM) Trong tong lai, ghép kênh theo bớc sóng đợc a chuộng chi phí kĩ thuật thiết bị để lắp đặt hệ thống TDM tơng đối cao 1.2 Nguyên lý hệ thống WDM: 1.2.1 Định nghĩa: WDM (Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bớc sóng) công nghệ sợi quang trun dÉn ®ång thêi nhiỊu tÝn hiƯu quang víi nhiỊu bớc sóng khác đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bớc sóng khác đợc tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền sợi quang đầu thu, tín hiệu tổ hợp đợc phân giải (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc đa vào đầu cuối khác 1.2.2 Mục đích: Do băng thông quang lớn (khoảng 100Ghz-Km) nên sử dụng cho mục đích đơn lẻ hao phí Vì sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn sợi quang cách truyền đồng thời nhiều kênh bớc sóng sợi quang Tuy nhiên để tránh nhiễu xuyên kênh, kênh phải có khoảng cách định Qua nghiên cứu ITU-T đà đa cụ thể kênh bớc sóng khoảng cách kênh chọn cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz 1.2.3 Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM: Hệ thống truyền dẫn hệ thống tơng tác, nghĩa đầu thực chức phát tín hiệu (hớng đi) nhận tín hiệu (hớng về) Trong hệ thống WDM, tính tơng tác đợc thực qua môi trờng sợi quang Về Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghƯ WDM ngêi ta chia hƯ thèng WDM thµnh hai kiểu: Hệ thống ghép bớc sóng đơn hớng hệ thèng ghÐp bíc sãng song híng 1.2.3.1 HƯ thèng ghÐp bớc sóng đơn hớng: Chỉ thực truyền theo chiều sợi quang Do để truyền thông tin hai điểm cần hai sợi quang Rx1 Tx1 Tx2 λ1, λ2, λ3,…, λn MUX EDFA λ1, λ2, λ3,…, λn Txn DEMUX EDFA Rxn T¸ch tÝn hiƯu Ph¸t tÝn hiƯu GhÐp tÝn hiƯu Rx2 Thu tÝn hiƯu H×nh 1.2 : Hệ thống WDM đơn hớng 1.2.3.2 Hệ thống ghÐp bíc sãng song híng: Cã thĨ trun theo hai chiều sợi quang nên cần sợi quang để trao đổi thông tin hai ®iÓm Rx1 Tx1 Tx2 λ1, λ2, λ3,…, λn MUX EDFA Txn λ1, λ2, λ3,…, λn DE MUX EDFA H×nh 1.3 : Hệ thống WDM song hớng 1.2.4 Ưu nhợc điểm công nghệ WDM: Rxn Tách tÝn hiƯu Ph¸t tÝn hiƯu GhÐp tÝn hiƯu Rx2 Thu tÝn hiƯu HƯ thèng th«ng tin quang sư dơng c«ng nghệ WDM Trải qua trình nghiên cứu triển khai, mạng thông tin quang nh mạng quang sử dụng công nghệ WDM đà cho thấy u điểm nỉi tréi : * Dung lỵng trun dÉn lín Sư dụng công nghệ WDM có nghĩa sợi quang cã thĨ ghÐp rÊt nhiỊu kªnh quang (cã bíc sóng khác nhau) để truyền đi, kênh quang lại ứng với tốc độ bit (TDM) Hiện đà thử nghiệm thành công hệ thống WDM 80 bớc sóng với bớc sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5 Gbit/s, tổng dung lợng hệ thống 200 Gbit/s Trong với hệ thống TDM, tốc độ bit đạt tới STM-256 (dung lợng 40 Gbit/s) * TÝnh st cđa m¹ng WDM Do công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên hỗ trợ định dạng số liệu thoại nh chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP Mạng suốt : dải băng thông xác định, mạng truyền dịch vụ với tốc độ với giao thức Nh nhà cung cấp dịch vụ đáp ứng nhiều dịch vụ khác cách sử dụng sở hạ tầng Nh có lợi mặt kinh tế triển khai dịch vụ cách hiệu quả, nhanh chóng mà không làm ảnh hởng đến dịch vụ trớc * Việc nâng cấp dung lợng hệ thống thực dễ dàng, linh hoạt Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lợng mạng có lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng nhiều cấp độ khác Bên cạnh mở thị trờng mới, thuê kênh quang (hay bớc sóng quang) việc sợi hay cáp quang Việc nâng cấp hệ thống đơn giản cắm thêm Card hệ thống hoạt động (Plug-and-play) * Quản lý băng tần hiệu cấu hình hệ thống mềm dẻo Bằng cách thay đổi phơng thức định tuyến phân bổ bớc sóng mạng WDM, ta dễ dàng quản lý cấu hình lại hệ thống cách linh hoạt tuỳ theo yêu cầu thực tế Hiện WDM công nghệ cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây dựng mạng quang st * Sư dơng c«ng nghƯ WDM cã thĨ tận dụng sở hạ tầng mạng quang trớc đó, giảm đợc chi phí đầu t Do tiết kiệm kinh tế Chơng II Truyền tín hiệu sợi quang Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM 2.1 Các đặc tính thông tin quang: Sợi quang môi trờng truyền dẫn đặc biệt so với môi trờng khác nh không gian tự hay cáp đồng Không phải ngẫu nhiên mà sợi quang trở thành phơng tiện truyền dẫn thông tin hiệu kinh tế So với phơng thức truyền dẫn thông tin khác sợi quang có u điểm bật nh có băng thông lớn, độ suy hao truyền dẫn thấp Thêm vào đó, chúng sử dụng để thiết lập đờng truyền dẫn nhẹ, tợng xuyên âm sợi quang với không chịu tác động sóng điện từ Trớc hết sợi quang có băng thông lớn nên truyền khối lợng thông tin lớn nh cấc tín hiệu âm thanh, liệu, tín hiệu hỗn hợp thông qua hệ thống có cự ly dến 100Ghz-Km Thứ hai, sợi quang nhỏ, nhẹ xuyên âm Do chúng đợc lắp đặt dễ dàng địa điểm mà không cần lắp thêm đờng ống cống cáp Thứ ba, sợi quang đợc chế tạo từ chất điện môi nên chúng không chịu ảnh hởng can nhiễu sóng điện từ xung điện tử Do chúng đợc lắp đặt với cáp ®iƯn lùc (®iỊu nµy cã ý nghÜa kinh tÕ rÊt lớn) dùng môi trờng có điện từ trờng cao Thứ t, nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang cát (silicat-SiO2) chất dẻo nên có giá thành thấp Thêm vào sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài khả đề kháng với môi trờng tốt 2.2 Cáp sợi quang: Sợi quang dây nhỏ, dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy đợc tia hồng ngoại Một sợi quang gồm có lõi hình trụ đợc bao quanh lớp vỏ Cả phần lõi vỏ có số khúc xạ xấp xỉ 1,45 Để ánh sáng phản xạ cách hoàn toàn lõi chiết suất lõi phải lín h¬n chiÕt st cđa vá mét chót Do vËy trình sản xuất sợi, số tạp chất đợc đa vào lõi vỏ, nguyên liệu nh Germani Photpho làm tăng số khúc xạ SiO2 đợc dùng làm chất cho thêm vào phần lõi, Bo Flo làm giảm số khúc xạ SiO2 nên đợc dùng làm tạp chất cho líp vá HƯ thèng th«ng tin quang sư dụng công nghệ WDM Vỏ bọc phía áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với sợi bên cạnh Sợi quang Lớp bọc (Silicon đặc biệt) Tầng cản bit lỗi (Silicon) Lớp bọc thứ (Nilon) Phần cốt lõi Sợi quang Lớp bọc thứ (Nilon) Tầng cản bit lỗi Lớp bọc Hình 2.1 : Cấu trúc sợi quang Ngoài sợi quang đợc phân loại thành loại sợi quang đơn mode đa mode tơng ứng với số lợng mode ánh sáng truyền qua sợi quang 2.3 Nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang: 2.3.1 Định luật ánh sáng sợi quang: ánh sáng đợc xem nh chùm tia truyền theo đờng thẳng môi trờng bị phản xạ hay khúc xạ bề mặt hai vật liệu khác Hình 2.2 giao diện hai môi trờng có số khúc xạ n1 n2 Một tia sáng từ môi trờng tới mặt phân cách môi trờng với môi trờng Góc tới tia tới pháp tuyến với bề mặt chung hai môi trờng đợc biểu thị Phần lợng bị phản xạ vào môi trờng tia phản xạ, phần lại xuyên qua môi trờng tia khúc xạ Góc phản xạ 1r góc tia phản xạ pháp tuyến giao diện Tơng tự, góc khúc xạ góc tia khúc xạ pháp tuyến 1r = Theo định luật Snell : n1.sin = n2.sin Khi góc tới tăng lên, góc khúc xạ tăng Nếu = 90, sin, sin = n2/n1 Lúc đợc gọi góc tới hạn có giá trị c = sin(n2/n1) ; với n1 > n2 Với giá trị > c , tia khúc xạ, tất lợng từ tia tới đợc phản xạ hết Hiện tợng đợc gọi phản xạ toàn phần n2 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM n1 1r Hình 2.2 : Sự phản xạ khúc xạ tia sáng mặt phân cách hai môi trờng * Nh điều kiện để xảy phản xạ toàn phần là: - Các tia sáng phải từ môi trêng chiÕt quang h¬n (cã chiÕt st lín h¬n) sang môi trờng chiết quang (có chiết suất nhỏ hơn) - Góc tới tia sáng phải lớn góc tới hạn Các định luật phản xạ khúc xạ ánh sáng nguyên lý ¸p dơng cho viƯc trun tÝn hiƯu ¸nh s¸ng sợi dẫn quang, sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng đợc truyền dựa vào tợng phản xạ toàn phần bên 2.3.2 Truyền ánh sáng sợi dẫn quang: Để dễ tiếp cận với nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang, ta hÃy xét cấu lan truyền ánh sáng sợi dẫn quang đa mode có số chiết suất phân bậc, kích thớc lõi loại sợi lớn nhiều so với bớc sóng ánh sáng xét tới Để đơn giản ta xét tia sáng đặc trng Có loại tia truyền sợi dẫn quang tia kinh tuyến tia nghiêng (minh hoạ hình vẽ ) Tia kinh tuyến tia xác định mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi Nh có loại tia kinh tuyến : tia biên tia tồn lõi sợi truyền theo hớng dọc theo trục lõi sợi, tia biên tia bị khúc xạ lõi sợi Các tia nghiêng có số lợng nhiều gấp bội lần tia kinh tuyến, không xác định mặt phẳng đơn nào, mà tia truyền theo đoạn xoắn ốc dọc theo sợi Các tia có đờng dài thờng bị suy hao nhiều tia kinh tuyến Tuy nhiên ta không quan tâm tới tia nghiêng không phản ánh có ý nghĩa tia lan truyền sợi Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Hình 2.3a : Tia kinh tuyến Tia khúc xạ Trục sợi Góc tiếp nhận Lõi n1 Tia phản xạ Vỏ n2 Hình 2.3b : Tia kinh tuyến trình tiếp nhận lan truyền ánh sáng sợi đa mode chiết suất phân bậc Các tia kinh tuyến đợc thể hình xét cho loại sợi có số chiết suất phân bậc Các tia sáng vào sợi dẫn quang từ môi trờng có chiết suất n hợp với trục sợi góc Các tia đập vào ranh giới vỏ lõi díi mét gãc Φ NÕu gãc Φ lín h¬n gãc để đảm bảo tia bị phản xạ toàn phần tia kinh tuyến theo đờng zich-zăc dọc theo lõi sợi qua trục sợi sau lần phản xạ Theo định luật Snell góc tối thiểu để tạo tợng phản xạ toàn phần bên đợc xác định : sinΦmin = n2/n1 (2.1) Nh vËy mäi tia s¸ng chạm vào ranh giới môi trờng với góc < bị khúc xạ lõi sợi bị suy hao lớp vỏ phản xạ Điều kiện phơng trình (2.1) bị ràng buộc với gãc vµo (gãc tiÕp nhËn) lín nhÊt α0,max theo biĨu thøc sau : n.sinα0,max = n1.sinαc = √(n1² - n2²) (2.2) Với c góc tới hạn Do , tia có góc vào nhỏ góc 0,max bị phản xạ toàn phần bên ranh giới lõi, vỏ sợi quang Biểu thức (2.2) xác định độ (độ mở) NA sợi có số chiết suất phân bậc tia kinh tuyÕn : NA = n.sinα0,max = √n1² - n2² ≈ n12 Với khác số chiết suất lõi vỏ đợc thông qua biểu thức sau: n2 = n1.(1-Δ) HƯ thèng th«ng tin quang sử dụng công nghệ WDM Chiết suất phân bậc thùc tÕ cã n1 thêng b»ng 1,48 vµ n2 thêng chọn để cho vào khoảng 0,01 Nh ta cã nhËn xÐt chØ cã c¸c tia sau vào lõi sợi có góc nhỏ góc tới hạn c lan truyền dọc theo sợi 2.4 Các vấn đề truyền dẫn: 2.4.1 Suy hao sỵi quang: Trong thùc tÕ, cù ly trun dẫn tuyến thông tin cáp quang thờng dài dài Do việc tính toán đến suy hao sợi đóng vai trò quan trọng thiết kế hệ thống Trên tuyến thông tin quang, suy hao ghép nối nguồn phát quang với sợi quang, sợi quang với sợi quang, sợi quang với đầu thu quang sợi quang với thiết bị khác tuyến nh khuếch đại quang hay thiết bị xen rẽ kênh v.v, coi suy hao tuyến truyền dẫn Bên cạnh đó, trình sợi bị uốn cong giới hạn cho phép tạo suy hao Các suy hao suy hao chất sợi, làm giảm chúng với nhiều biện pháp khác Cái cần quan tâm suy hao chất bên sợi Cơ chế suy hao sợi dẫn quang suy hao hấp thụ, suy hao tán xạ suy hao xạ lợng ánh sáng Suy hao sợi (hay gọi suy hao tín hiệu) thờng đợc đặc trng hệ số suy hao đợc xác định tỷ số công suất đầu POUT sợi dẫn quang dài L với công suất quang đầu vào PIN Tỷ số công suất lµ mét hµm cđa bíc sãng, nÕu gäi α lµ hƯ sè suy hao th× α= P IN 10 log L POUT ( ) Đơn vị đợc tính theo dB/km Xét chất suy hao sợi quang hấp thụ sợi quang nguyên nhân quan trọng Hấp thụ chế khác gây : - HÊp thơ t¹p chÊt - HÊp thơ vËt liƯu - HÊp thơ cùc tÝm (®iƯn tử) Ngoài có nguyên nhângây suy hao khác nh : suy hao tán xạ suy hao n cong sỵi 1 HƯ thèng thông tin quang sử dụng công nghệ WDM 2.4.2 Tán sắc sợi quang: Trong truyền dẫn thông tin quang, tợng tán sắc nguyên nhân quan trọng gây nên méo tín hiệu làm suy giảm công suất Vì vấn đề đợc quan tâm thiết kế hệ thống quang Tán sắc bên mode giÃn xung tín hiệu ánh sáng xảy mode Vì tán sắc bên mode phụ thuộc vào bớc sóng nên ảnh hởng tới méo tín hiệu tăng lên theo tăng độ rộng phổ nguồn phát Độ rộng phổ dải bớc sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng Có thể mô tả độ dÃn xung công thức sau : δ τ =L dττ n ( ) dτλ λs Với L độ dài sợi dẫn quang, n trễ nhóm đơn vị độ dài, S bớc sóng trung tâm độ rộng trung bình bình phơng (r.m.s) phổ nguồn phát Tán sắc sợi dẫn quang bao gồm tán sắc mode, tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng Tán sắc mode tồn truyền dẫn sợi đa mode Tán sắc phụ thuộc vào kích thớc sợi, đặc biệt đờng kính lõi sợi Các mode lan truyền theo đờng khác làm cho cự ly đờng mode khác thời gian lan truyền khác mode Tán sắc vËt liƯu lµ mét hµm cđa bíc sãng vµ sù thay ®ỉi vỊ chØ sè chiÕt st cđa vËt liệu lõi tạo nên Nó làm cho bớc sóng phụ thuộc vào vận tốc nhóm mode Tán sắc ống dẫn sóng sợi đơn mode giữ đợc khoảng 80% lợng lõi, 20% ánh sáng truyền vỏ nhanh lợng lõi Tán sắc dẫn sóng phụ thuộc vào thiết kế sợi, cụ thể phụ thuộc vµo h»ng sè lan trun β Nh vËy cã thĨ thấy tán sắc làm dÃn xung tín hiệu ánh sáng nên làm giảm độ nhạy thu Nó làm giảm độ nhạy thu theo cách : thứ nhất, phần lợng xung bị trải rộng gây nên giao thoa tín hiệu (ISI) Thứ hai, lợng xung bit bị giảm xung bị giÃn rộng Điều gây nên giảm tỷ số SNR mạch định Để trì đợc SNR, phải tăng mức công suất HƯ thèng th«ng tin quang sư dơng c«ng nghƯ WDM trung bình thu Đây nguyên nhân gây suy hao công suất tán sắc gây 2.4.3 Bớc sóng, tần số khoảng cách kênh: Trong hệ thống WDM, phơng tiện mang thông tin ánh sáng, điều cần quan tâm bớc sóng, tần số tín hiệu Bớc sóng tần số f đợc = liên hƯ víi qua c«ng thøc : c f Trong c vận tốc ánh sáng truyền không gian tù (c ≈ 3.108 m/s), vËy c¸c bíc sãng cịng kh¸c Trong hƯ thèng quang, c¸c bíc sóng chủ yếu đợc dùng 1310 nm, 1550 nm 850 nm Các bớc sóng nằm dải hồng ngoại, nhìn thấy Tần số đợc đơn vị Hertz (bằng số chu kì/giây) Ngời ta thờng dùng thứ nguyên Hz nh Megahertz (1Mhz = 106 Hz), Gigahertz (1Ghz = 109 Hz) hay Terahertz (1THz = 1012 Hz) Sư dơng c = 3.108 m/s, mét bíc sãng 1,55 μm sÏ t¬ng øng víi mét tần số xấp xỉ 193 THz Một số thông số đợc quan tâm khác khoảng cách kênh, khoảng cách hai bớc sóng tần số hệ thống WDM Khoảng cách kênh đợc đo đơn vị bớc sóng tần số Nếu gọi khoảng cách kênh ff =c bớc sóng tơng ứng ta có : Δfλ λ2 Nh vËy, t¹i bíc sãng 1550 nm, víi = 35 nm (xét riêng băng C) ta có f = 4,37.1012 Hz Giả sử tốc độ truyền dẫn kênh bớc sóng 2,5 GHz, theo định lý Nyquist, với phổ sở tín hiệu 2.2,5=5 GHz, số kênh bớc sóng cực đại đạt đợc N = f / = 874 kênh dải băng tần khuếch đại quang, số kênh cực đại tính theo lý thuyết băng C Dựa khả công nghệ nay, ITU-T đà đa qui định khoảng cách tối thiểu kênh bớc sóng 0,8 nm tơng ứng khoảng cách tần số 100 GHz với tần số chuẩn 193,1 THz Hiện đà xuất hệ thèng HƯ thèng th«ng tin quang sư dơng công nghệ WDM WDM sử dụng khoang cách kênh 25 GHz, sản phẩm thơng mại chủ yếu theo chuẩn ITU-T đà nêu CHƯƠNG III CHứC NĂNG Và CáC PHầN Tử CƠ BảN CủA Hệ THốNG WDM 3.1 Chức hệ thống WDM: Tx1 Tx2 MUX Txn Rx1 Truyền tín hiệu sợi quang Khuếch đại tín hiệu DEMUX Khuếch đại tín hiệu Ph¸t tÝn hiƯu GhÐp tÝn hiƯu Rx2 Rxn T¸ch tín hiệu Thu tín hiệu Hình 4.1 : Sơ đồ chức hệ thống WDM Nh minh họa hình trên, để đảm nhiệm việc truyền nhận nhiều bớc sóng sợi quang, hệ thống WDM phải thực chức sau : * Phát tín hiệu : hệ thống WDM sử dụng nguồn phát quang diode ph¸t quang (LED – Light Emitting Diode) hay Laser HiƯn đà có số loại nguồn phát nh : laser ®iỊu chØnh bíc sãng (Tunable laser), laser ®a bíc sóng (Multiwavelength laser) Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bớc sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bớc sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chỉp phải nằm giới hạn cho phép * Ghép/tách tín hiệu : ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sóng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp thành Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM tín hiệu ánh sáng riêng lẻ cổng đầu tách Hiện nay, đà có tách ghép tín hiệu WDM nh : lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG , lọc Fabry-Perot Các tham số cần quan tâm tách ghép kênh : khoảng cách kênh bớc sóng, độ rộng băng tần kênh, bớc sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần - đầu xa, * Truyền dẫn tÝn hiƯu : thùc tÕ viƯc tÝnh to¸n trun dẫn thông tin quang phức tạp cã nhiỊu u tè ¶nh hëng nh : suy hao đờng truyền, hiệu ứng phi tuyến , tán sắc, Không vậy, yếu tố khác loại sợi quang khác * Khuếch đại tín hiệu : trình truyền dẫn, tín hiệu quang bị suy hao lan truyền qua sợi Các thiết bị hệ thống nh ghép kênh, xen rẽ kênh gây nên suy hao Ngoài nhiều nguyên nhân khác nh suy hao ghép nối, suy hao sợi bị uốn cong Do đến lúc đó, tín hiệu quang suy yếu đến mức tách sóng đợc Do thiết bị khuếch đại tín hiệu khôi phục lại cờng độ tín hiệu Trong hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA Có ứng dụng EDFA, : khuếch đại công suất (Booster Amplifier BA), tiền khuếch đại (Pre Amplifier - PA), khuếch đại đờng truyền (Line Amplifier LA) Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo đợc yêu cầu sau : - Độ lợi khuếch đại đồng tất kênh bớc sóng (mức chênh lệch không dB) - Sự thay đổi số lợng kênh bớc sóng làm việc không làm ảnh hởng đến mức công suất đầu kênh - Có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất kênh * Thu tín hiệu : để thu tín hiệu, hệ thống WDM sử dụng loại tách sóng quang nh hƯ thèng th«ng tin quang th«ng thêng : PIN, APD 3.2 Các thành phần hệ thống thông tin quang: HƯ thèng th«ng tin quang sư dơng c«ng nghệ WDM Tơng ứng với chức hệ thống thông tin quang đà nêu có thành phần tơng ứng nh sau 3.2.1 Nguồn phát quang: Nhiêm vụ nguồn phát quang chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang ánh sáng nguồn đợc ghép vào sợi quang để truyền Hiện sử dụng phổ biến loại linh kiện dùng làm nguồn phát quang : - Diode phát quang (LED – Light Emitting Diode) - LASER (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) Một đóng góp quan trọng thiết bị phát quang giúp cho việc thơng mại hoá hệ thống WDM việc chế tạo thành công LASER phổ hẹp Các LASER phổ hẹp có tác dụng giảm thiểu tối đa ảnh hởng lẫn bớc sóng lan truyền sợi quang Để xây dựng đợc hệ thống thông tin quang Các nguồn phát qaung phải thoả mÃn số điều kiện nh : - Phù hợp với kích thớc sợi quang - Phát công suất đủ lớn để khắc phục phần suy hao tín hiệu, giúp tín hiệu truyền đợc đến phía thu - Phát ánh sáng bớc sóng làm tối thiểu hoá suy hao tán xạ Các nguồn quang nên có bề rộng phổ nhỏ để giảm thiểu đợc tán xạ - Hoạt động ổn định ®iỊu kiƯn m«i trêng cã thay ®ỉi (nhiƯt ®é, ®é ẩm, ) - Cho phép điều chế trực tiếp công suất quang đầu - Có giá thành thấp độ tin cậy cao thiết bị điện tử, cho phép hệ thống thông tin quang cạnh tranh đợc với hệ thống thông tin khác 3.2.1.1 LASER: Thiết bị kích thích Dòng ánh sáng phát Môi trờng phát xạ Gơng phản xạ Gơng phát HƯ thèng th«ng tin quang sư dơng c«ng nghệ WDM Hình 4.2 : Cấu trúc tổng quát LASER LASER đợc phát minh vào năm 1958 Schalow Townes Hình thể cấu trúc tổng quát LASER Về cấu trúc LASER gồm gơng (1 gơng phản xạ vừa phản xạ ánh sáng vừa cho phần ánh sáng qua gơng phát) Chúng tạo nên lỗ hốc Các gơng có độ phản xạ cao, tới 99% để làm giảm độ rộng phổ gơng môi trờng phát xạ thiết bị kích thích Thiết bị kích thích đa dòng điện vào môi trờng phát xạ, đợc làm loại vật chất gần nh ổn định Dòng điện tạo điện trờng, điện trờng kích thích nguyên tử có sẵn môi trờng làm cho nguyên tử chuyển lên trạng thái dừng có mức lợng cao Khi nguyên tử chuyển trạng thái dừng có mức lợng thấp, chóng sÏ ph¸t c¸c photon ¸nh s¸ng Photon ¸nh sáng bị phản xạ lại gơng đầu hốc Hiện tợng phát xạ kích thích lại xảy photon lại gần nguyên tử Do trình lặp lại nh tạo nhiều photon ánh sáng có pha hớng với photon kích thích Sự phản chiếu làm cho phát xạ kích thích xảy nhiều hơn, tạo cờng độ ¸nh s¸ng cao TÊm g¬ng ph¸t sÏ trun dÉn mét phần ánh sáng định, số photon thoát khỏi lỗ hốc dới dạng tia sáng hội tụ Hốc Laser có nhiều tần số cộng hởng Để thay đổi tần số ánh sáng phát ra, ta điều chỉnh độ dài hốc 3.2.1.2 LED: Đối với ứng dụng không cần yêu cầu cao tốc độ liệu cự ly truyền dẫn ngắn việc sử dụng diode phát quang (LED) hợp lý mặt kinh tế LED đợc phát triển dựa sở diode bán dẫn, tiếp giáp bán dẫn loại P bán dẫn loại N Tuy vËy ¸nh s¸ng cđa LED ph¸t toàn băng thông nên ánh sáng phát từ LED có phổ rộng (không giống nh LASER có chùm sáng hội tụ) Đối với LED, tăng cờng độ ánh sáng đơn giản tăng tự phát xạ, không xảy tợng phát xạ kích thích tính phản xạ bề mặt Vì lý Trong thực tế gơng lớp phản hồi quang, đợc tạo cách tách lớp bán dẫn dọc theo mặt tinh thể Sự khác rõ rệt chiết suất tinh thể môi trờng xung quanh làm cho mặt tách có tác dụng nh gơng phản xạ 1 HƯ thèng th«ng tin quang sư dơng c«ng nghệ WDM này, LED khả tạo công suất đầu cao, công suất tiêu biểu LED khoảng -20 dB 3.2.2 Bộ thu quang: Thiết bị thu quang thành phần quan trọng hệ thống thông tin quang Là thiết bị n»m ë vÞ trÝ ci cïng cđa hƯ thèng, bé thu quang phải tiếp nhận xử lý tác động toàn tuyến đa tới, xác hệ thống phụ thuộc nhiều vào Một số yêu cầu đặt với thu quang phải có độ nhạy thu cao, can nhiễu thấp, giá thành hạ có độ tin cậy cao Hình # giới thiệu cấu hình tiêu biểu thu quang sử dụng photo diode Nó bao gồm thành phần : tách sóng quang, khuếch đại điện mạch xử lý tín hiệu Phần trớc thu quang gồm photo diode tiền khuếch đại Photo diode biến đổi tín hiệu bit ánh sáng thành tÝn hiƯu ®iƯn thay ®ỉi theo thêi gian Bé tiỊn khuếch đại có vai trò khuếch đại tín hiệu cho trình xử lý tiếp sau Tăng giá trị RL, điện áp đầu vào mạch tiền khuếch đại tăng, nhiễu nhiệt giảm xuống tăng đợc độ nhạy thu PD h.v Pre-amp KĐ Quyết ®Þnh TÝn hiƯu sè Clock Ext Clock RL Phần trớc thu Hình 4.3 : Cấu hình bé thu quang sè tiªu biĨu Kªnh tun tÝnh thu quang bao gồm khuếch đại có hệ số khuếch đại cao mạch cân Phần kh«i phơc tÝn hiƯu sè cđa bé thu quang gåm có mạch địnhvà mạch hồi phục xung đồng hồ Mạch định so sánh tín hiệu từ kênh tuyến tính với mức ngỡng thời điểm lấy mẫu (đợc xác định mạch hồi phục xung đồng hồ), điện áp tín hiệu lớn møc ngìng, nã sÏ mang bit “1”, nÕu thÊp h¬n sÏ lµ bit “0” Mét sè bé thu quang hay đợc sử dụng : Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM - Bộ tách sãng Photo diode PIN - Photo diode th¸c APD 3.2.3 Thiết bị khuếch đại quang: Nếu không đợc khuếch đại, giới hạn tín hiệu quang truyền tối đa đợc khoảng 200 km với tốc độ khoảng vài Gbit/s Do mạng quang tồn thiếu thiết bị khuếch đại phần đề cập đến dạng lµ EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplifiers) vµ SOA (Semiconductor Optical Amplifiers) 3.2.3.1 EDFA: Thiết bị khuếch đại quang sợi chủ yếu dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt EDFA Tầm quan trọng EDFA thông tin quang chủ yếu dặc tính Erbium tạo nên Các thành phần cấu tạo nên EDFA gốm có sợi đợc pha tạp Erbium EDF (Erbium Dopped Fiber) thờng có độ dài lớn 10m, Laser bơm LD, ghép bớc sóng quang WDM cách ly quang Sợi pha tạp silicat mà phần lõi đợc thêm vào ion Er3+ nguyên tè ®Êt hiÕm Ebiri Bé ghÐp bíc sãng EDF TÝn hiệu khuếch đại Tín hiệu vào Bơm Laser Hình 4.4 : Hệ thống EDFA Thông thờng khuếch đại quang đợc chia thành hệ thống 2, 3, mức lợng Muốn thực khuếch đại, khuếch đại đòi hỏi phải có nguồn lợng bên cung cấp thêm cho tín hiệu đầu vào Bơm thực việc cung cấp công suất thông qua chế kích thích điện tử, làm cho chúng chuyển từ mức lợng thấp lên mức lợng cao Hầu hết EDFA đợc bơm ánh sáng từ diode laser (LD) có bớc sóng 980 hay 1480 nm, víi c«ng HƯ thèng thông tin quang sử dụng công nghệ WDM suất bơm tiêu biểu từ 10 mW tới 100mW Việc bơm bớc sóng P = 1480 nm tạo nên hÖ thèng møc, nÕu λP = 980 nm sÏ tạo hệ thống mức Cơ chế hoạt động sợi quang pha tạp đất để trở thành khuếch đại đợc minh hoạ nh hình sau : 980 nm E3 1550 nm E2 Tự phát Khuếch đại 1500-1600 E1 Hình 4.5 : Mức lợng EDFA * Nguyên lý hoạt động : Trong sợi EDF, ion Er3+ phần tử tích cực khuếch đại quang Khi ion Er3+ trạng thái (E1) đợc hấp thụ photon Laser bơm chuyển lên trạng thái có mức lợng cao Nghiên cứu cho thấy bíc sãng 1480 nm, 980 nm, 670 nm vµ 521 nm cho phép kích thích ion Erbium Từ trạng thái có mức lợng cao, ion Er3+ phân rà không phát xạ chuyển xuống mức lợng thấp Tín hiệu quang đầu vào sợi EDF đến gặp ion Er3+ đà đợc kích thích Quá trình xạ kích thích (2) tạo photon phụ có pha hớng quang nh tia tới, mà ta thu đợc cờng độ ánh sáng tín hiệu đầu EDF lớn đầu vào Đó chất khuếch đại EDFA Các ion đà đợc kích thích mà không tơng tác với ánh sáng phân rà tự phát tới trạng thái thêi gian xÊp xØ 10 ms 3.2.3.2 SOA (Semiconductor Optical Amplifiers): CÊu tróc cđa SOA cu·ng t¬ng tù nh Laser bán dẫn Nó tiếp giáp bán dẫn loại P bán dẫn loại N, vùng tích cực (tiếp giáp P-N) 2(1) Bức xạ tự phát : phân rà tự xảy mà tác động bên kích thích Bức xạ kích thích : phân rà xảy có tác động bên (VD : hấp thụ photon chứa lợng)